1598005352-c8ee7d2a5515e9724b112e615ad75d2e (811199), страница 26
Текст из файла (страница 26)
Длинная узкая кольцевая щель между цилиндром и вытеснителем выполняет функцию регенератора между горячей полостью расширения и холодной полостью сжатия. Для полости расширения предусмотрен нагреватель, а для полости сжатия — холодильник. Рассмотрим систему, показанную на рис.
10-1, находящуюся вначале в положении О. Давление во всех полостях одинаковое, а температура везде равна температуре окружающей среды. Пусть теперь полость расширения нагревается. С ростом температуры давление рабочего тела в замкнутом рабочем объеме увеличивается от положения 0 до положения 1.
Возрастание давления в рабочей полости до определенного значения приведет к перемещению вниз рабочего поршня и вытеснителя. Сила, действующая на рабочий поршень, равна (р — ра)(А,— Ая) *, а сила, действующая на вытеснитель, — Ал (р — рй). Ускорение рабочего поршня при движении вниз определяется как иг, — — (р,„— рб) (А,— Ал)/Мр, а ускорение вытеснителя ио =(р — Рь) Ан/Мо" Если отношение Мр/Мд велико (т. е. 10: 1) и если отношение Ад/А, значительно (т. е. 1: 4), то ар) ар. Поэтому вытеснитель ускоряется быстрее; это приводит к тому, что рабочее тело вытесняется из холодной полости сжатия в горячую полость расширения.
Этот процесс ускоряется как ростом давления в рабочей полости по сравнению с давлением в буферной полости (принимаемым постоянным), так и дальнейшим возрастанием ускорений обоих поршней. В итоге рабочий поршень и вытеснитель соприкасаются (положение 2), и с этого момента начинают двигаться вместе. После соприкосновения поршней поток рабочего тела больше не поступает в полость расширения, но поскольку процесс расширения продолжается, давление начинает падать. В положении 3 давление р все еще больше, чем давление ра; поэтому рабочий поршень и вытеснитель продолжают ускоряться.
Расширение продолжается до точки 4, где давления рабочего тела р и буферной полости р„равны. Инерции тяжелого поршня достаточно для продолжения процесса расширения рабочего тела и за точкой равновесия давлений; поэтому давление в рабочей полости падает ниже давления в буферной полости р»; таким образом, на рабочий поршень и вытеснитель начинают действовать замедляющие силы (возникающие из-за разности давлений). Вытеснитель, будучи более легким, первым реагирует на это. Замедляющие силы тормозят движение вытеснителя вниз, что приводит к отделению его * Аа в Ал — площади поперечных сечений соответственно рабочего поршня н штока вытесннтеля; Мр в Мо — массы рабочего поршня н вытесннтеля.
(Прим. перев.) от рабочего поршня, продолжающего двигаться вниз. В этот момент рабочее тело начинает перетекать по регенеративному кольцевому каналу из горячей полости расширения в холодную полость сжатия. Это вызывает резкое падение давления в рабочей полости, и между полостями устанавливается большая разность давлений р — р . Вытеснитель быстро устремляется вверх к головке цилиндра (точка б) и остается в этом положении до тех пор, пока давление в буферной полости будет выше давления в рабочей полости, В некоторый момент рабочий поршень останавливается и начинает подниматься вверх (точка 1) под действием превосходящего давления в буферной полости. Поскольку процесс сжатия все еще продолжается, равенство давлений мгновенно восстанавливается (точка В), а затем давление в рабочей полости будет превышать давление в буферной полости. При таком положении вытеснитель начинает двигаться вниз до соприкосновения с рабочим поршнем в точке 9, и далее цикл вновь повторяется, но без начальной стадии 0-4.
Схема р, 17-диаграммы для всей системы показана на рис. 10-1. На практике за один рабочий цикл двигатель не выходит на установившийся режим в отличие от описанного выше. Применение двигателей Била. Двигатель Била может быть источником мощности при соединении колеблющегося рабочего поршня с нагрузкой. На рис. 10-2 показан один из вариантов двигателя Била, работающий как газовый компрессор. Поршень и цилиндр компрессора расположены коаксиально относительно рабочего поршня Ркс.
!0-2. Двигатель Стврлнкга свободнопоршневого типа (Бпла), работающий как воздушный компрсссор. 1 — цнлнндр; 2 — горячая полость (расшнреннян  — вытеснэтель; 6 — теплозаШнтный экран на эпоксндной смоле; 5— кольцевой регенератор; 6 — воздушный насос н водяная рубашка охлаждення; 7 — выход холодной воды;  — холодная полость (сжатняи 2 — шток вытесннтеля; Ш вЂ” выход воздуха; Ш вЂ” рабочнй поршенго 12 — болты крепленв»; 1 — цнлнндр нз оргстекла; !6 — оснаванне; 15 — распорная втулка; 16 — шток вытес. ннтеля; ,17 — уплотннтельное кольца; 16 — стнарчатый клапан; 19 — уплотненне нз метернала Н(Л.ОЫ( 26 — вход холодной воды.
122 бь 123 Объем Время время Рис. 10.8. Характеристики двигателя Стирлиига свободиопоршиевого типа (Била), работающего как воздушный компрессор (по давным Эгби, !971 г.). !24 125 и цилиндра двигателя. Эгби (АйЬ1, 1971 г.) проводил систематические исследования двигателя такого типа. Характерный вид перемещений рабочего поршня и вытеснителя, периодическое изменение давления, а также общая р.
1У-диаграмма двигателя приведены на рис. 10-3. В другом варианте, показанном на рис. 10-4, двигатель Била может быть сконструирован таким образом, что легкий корпус цилиндра и легкий вытеснитель сочетаются с очень тяжелым поршнем. Для обеспечения контролируемого движения цилиндра он помещен в направляющей втулке. В такой конструкции колеблются цилиндр и вытеснитель, а поршень остается неподвижным.
Нижний торец 1 цилиндра может быть подсоединен к плунжеру гидравлического насоса, а к верхнему торцу подводится теплота от продуктов сгорания топлива или от солнечного концентратора. С такой конструкцией двигателя, работающего от солнечной энергии, проф. Бил добился очень эффективной работы водяного насоса. Рис.
10-4. Схема свобод. иопоршиевого двигателя Стирляига, работающего иа солнечной ввергни, дла привода водяного насоса. у — концентретор соляечнмх лучей; у — полость ресширенвя; Л вЂ” вмтеснитель; Š— кольцевой регенеретор; 5 — теплообменник охлвждени» емеевнкового тяпа; б — полость сжетвя; 7 — рабочий порпгеньг В— яепрввлямщев втулка; У— буферяен полостно Гп — цялвидр; Ы вЂ” плунжер иесосег Гу — створчето-клепик.
нмй яесас. Другие возможности использования двигателя предусматривают либо магнит и генераторную обмотку для получения от системы электроэнергии, либо сдвоенную конструкцию установки, в которой свободнопоршневой двигатель является приводом холодильной машины со свободным поршнем, так что простая труба, нагретая на одном конце, становится холодной на другом. Для бытовых и промышленных печей, работающих на жидком топливе нли природном газе, зачастую требуются маломощные источники электроэнергии для привода вентиляторов или водяных насосов. При прекращении подачи электроэнергии порой возникает ряд трудностей, несмотря на то, что газ или мазут (дающие 99,9% энергии) пока недефицитны.
Поэтому для замены электродвигателей для таких случаев имеется потребность в приводных системах, работающих от внешнего подвода теплоты. Обычные режимы сжигания топлива отвечают требованиям работы таких приводов. Здесь важно отметить, что термодннамический к. п. д. не имеет значения, так как топливо сжигается главным образом для обеспечения нагревания. В этом случае начальная стоимость, надежность и способность к самостоятельному запуску являются важными критериями.
По-видимому, рассмотренные случаи — идеальные области применения двигателей Била. 10-?. ГИБРИДНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ СО СВОБОДНЫМ ВЫТЕСНИТЕЛЕМ И ВРИВОШИПНО-ШАТУННЫМ ПРИВОДОМ РАБОЧЕГО ПОРШНЯ - Исследования свободнопоршневых двигателей Била стимулировали изобретение в университете Калгари гибридной машины со свободным вытеснителем н кривошипно-шатунным приводом рабочего поршня. Свободнопоршневые двигатели заманчивы своей простотой. Однако если они не предназначены для работы в качестве насосов или компрессоров, то затруднительно использовать энергию возвратно-поступательного движения его отдельных элементов, поскольку многие агрегаты приводятся в действие вращающимися валами.
Гибридная машина является попыткой объединить достоинства простой конструкции свободнопоршневого двигателя с распространенностью и большой применяемостью цилнндропоршневого блока и кривошипно-шатунного узла. Одна из привлекательных сторон гибридной машины заключается в том, что ее нижняя часть— рабочий поршень, цилиндр н кривошипно-шатунный механизм могут быть обычными узлами двигателей внутреннегосгорания. Имеющийся производственный опыт, сборочные приспособления и инструменты, а также различная арматура обычных двигателей внутреннего сгорания могут быть использованы и для гибридной машины, позволяя тем самым снизить стоимость двигателей Стирлинга до уровня, почти сравнимого со стоимостью других поршневых машин.
Схема поперечного сечения гибридного одноцилиндрового двигателя показана на рис. 10-5. Картер, коленчатый вал, шатун, цилиндр и рабочий поршень (часть двигателя ниже линии Х вЂ” Х) могут быть обычными узлами двигателей внутреннего сгорания, работающих на газообразном или жидком топливе.
Для постановки газонепроницаемого уплотнения рабочий поршень изменен; он имеет удлиненный вертикальный стержень, являющийся в своей верхней части пустотелым штоком вытеснителя, на котором находится фиктивный поршень. Полость между фиктивным и рабочим порш- нями соединена с внутренним объемом вытеснителя и вместе с ним составляет буферную полость. Рабочий объем — это объем в цилиндре выше фиктивного поршня; он подразделен (вытесни- т Эта машина динамически подобна евободионоршневому двигателю и дает возмо;кносгр отводить полезную работу двигатели на вращающийся вал.
127 Рис. !О-б. Гибридный двигатель Стирлинга со свободным вытеенителем и кривошипно-шатунным приводом (габочего поршни 7 — полость расширения; 7 — вытеснитель; т -- теп. ловащитныа экран; «в уплотнение вытеснителя; — полость сжатия: 6— фя тинные поршень; 7-- уплотнение поршня;  — буферная полость. Рис. 10-6. Прототип гибридного двигателн с использованием картера от серийно выпускаемого двигатели фирмы «Хонда». телем) на полость сжатия (ниже вытеснителя) и полость расширения (над вытеснителем). Двигатель работает точно так же, как и описанный выше свободнопоршневой двигатель Била. Легкий вытеснитель быстро реагирует на перепад давления между буферной и рабочей полостями. Рабочий поршень, коленчатый вал, маховик и шатун скомбинированы так, чтобы создать динамический эквивалент тяжелого поршня с большой инерцией, характерный для двигателя Била.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
